Il corso si propone di trasmettere una cultura ingegneristica sui materiali recenti più avanzati (i.e. nano-ingegnerizzati) per applicazioni energetiche, con particolare enfasi alle correlazioni esistenti tra struttura, microstruttura e prestazione degli stessi, sottolineando quindi le potenzialità di progettazione con i materiali attraverso un controllo delle loro caratteristiche microstrutturali. L’obiettivo è di fornire allo studente uno strumento robusto e versatile relativo alla dinamica molecolare che gli permetta di approcciare in modo consapevole la moltitudine di materiali per i dispositivi per il recupero e lo stoccaggio di energia che la moderna scienza dei materiali oggigiorno mette a disposizione. In particolar modo, lo studente potrà acquisire conoscenze avanzate che si svincolino da una mera descrizione, ma costituiscano le linee-guida per una conoscenza consapevole dei materiali da impiegare nei dispositivi energetici.

Conoscenze di base sulle principali classi di materiali e loro comportamento termico, ottico e meccanico. Conoscenze di base su scambio termico.

Il corso prevede i seguenti macro-blocchi:

1) Metodi generali per la scelta di un materiale (Introduzione, 7.5 ore, MATERIALI) : Introduzione alla strategia di selezione dei materiali ed alla definizione delle linee-guida fondamentali per la selezione dei materiali in funzione dell’applicazione prevista e dei pre-requisiti imposti a livello progettuale. Introduzione all’uso di software per la selezione sistemica dei materiali. Richiami alle relazioni composizione-struttura-proprietà delle classi principali dei materiali.

2) Teoria della dinamica molecolare classica (Introduzione, 7.5 ore, ENERGIA) : Introduzione alla dinamica molecolare classica. Potenziali di iterazione e relative forze. Potenziali per la descrizione dei legami covalenti (interazioni forti). Potenziali per la descrizione delle forze indotte dai dipoli (interazioni deboli). Interazioni di van der Waals e modello di Lennard-Jones. Termostati e pressostati. Integrazione numerica. Calcolo delle proprietà termofisiche macroscopiche. Esempio della conducibilità termica.

3) Materiali per la conversione della radiazione solare (prima parte del modulo 1, 3 ore, MATERIALI) : Materiali per dispositivi per il recupero dell’energia solare e definizione delle linee-guida per la loro selezione. Materiali per rivestimenti ad alta riflessione o assorbimento: principali proprietà e potenzialità, applicazione della strategia di selezione. Variazioni composizionali e strutturali (ai vari livelli) dei materiali per il miglioramento delle proprietà fisiche e funzionali. Deposizione di strati sottili mediante tecniche CVD e PVD.

4) Sintesi di micro- e nanoparticelle per la raccolta diretta dell’energia solare e trasporto termico (prima parte del modulo 2, 3 ore, MATERIALI) : Tecnologie di fabbricazione per la produzione di nano- e micro-particelle per la raccolta, il trasferimento e lo stoccaggio di calore. Materiali per la raccolta dell’energia solare ed il trasporto termico: principali proprietà e potenzialità, applicazione della strategia di selezione. Studio delle strategie perseguibili nella selezione dei materiali per la realizzazione delle particelle per garantire una corretta operatività e durabilità in esercizio.

5) Uso e applicazioni di micro- e nanotecnologia per la raccolta diretta dell’energia solare e trasporto termico (seconda parte del modulo 2, 3 ore, ENERGIA) : Nanotecnologie nelle scienze termiche: il concetto di nano-fluido. Principali proprietà termo fisiche dei nano fluidi e principali metodi euristici di calcolo delle stesse. Cenni su dinamica molecolare. Modellazione delle principali proprietà di trasporto tramite dinamica molecolare. Nano-fluidi neri per la raccolta diretta della radiazione solare. Micro-fluidi. Fluidi slurry micro-incapsulati a elevata capacità termica per il trasporto e accumulo termico.

6) Materiali e tecnologie emergenti per la fabbricazione flessibile e geometrie complesse (prima parte del modulo 3, 3 ore, MATERIALI) : Tecnologie di fabbricazione dell’Additive Manufacturing (AM). Materiali per scambiatori termici processabili attraverso tecniche AM: principali proprietà e potenzialità. Definizione delle linee-guida per la selezione dei materiali per scambiatori termici ed applicazione della strategia di selezione. Influenza dei parametri di processo per l’ottimizzazione della risposta del dispositivo in esame.

7) Progettazione di nuove soluzioni flessibili e compatte nel campo dello scambio termico (seconda parte del modulo 3, 3 ore, ENERGIA) : Recupero di reflui termici a bassa temperatura e brevi cenni sui dispositivi termo-elettrici. Scambiatori compatti metallici realizzati tramite moderne tecniche di stampa 3D (additive manufacturing). Rugosità artificiale per lo scambio termico tramite stampa 3D (additive manufacturing). Scambiatori polimerici realizzati tramite plastiche conduttive: sfide e vantaggi.

8) Materiali per accumulo termico (prima parte del modulo 4, 3 ore, MATERIALI) : Dispositivi per lo stoccaggio termico: soluzioni attuali e potenziali prospettive. Materiali per l’accumulo termico: soluzioni attuali e principali proprietà. Applicazione della strategia di selezione dei materiali. Studio dell’effetto del controllo della struttura dei materiali alla nanoscala sul loro rendimento prestazionale.

9) Impianti di accumulo termico (seconda parte del modulo 4, 3 ore, ENERGIA) : La sfida della conservazione del calore. Approcci di accumulo termico a breve, medio e lungo termine. Densità di energia e principali figure di merito dei materiali per l’accumulo termico. Principali componenti negli impianti per accumulo termico solare ad uso domestico. Brevi cenni sull’accumulo termico in altri ambiti (e.g. automobilistico).

Il corso inoltre prevede le seguenti visite con esperienza pratica diretta degli studenti:

1) Laboratorio informatico (7.5 ore, MATERIALI) : Durante tale attività gli studenti avranno modo di applicare le strategie di selezione dei materiali in un caso pratico relativo ad uno degli esempi di dispositivi energetici trattati durante il corso, dall’analisi del progetto alla definizione dei criteri di selezione all’individuazione di una o più possibili soluzioni.

2) Laboratorio informatico di dinamica molecolare (9 ore, ENERGIA) : In questo laboratorio informatico, che occupa una parte significativa del semestre, verranno approfonditi gli strumenti informatici per lo svolgimento di simulazioni numeriche di dinamica molecolare. In particolare, si affronterà per primo il sistema operativo Linux (Ubuntu) e lo strumento di simulazione GROMACS. Successivamente verranno analizzate passo-passo delle simulazioni svolte che serviranno da esempio agli studenti. Le relazioni richieste agli studenti saranno basate sulla modifica degli esempi svolti durante l'esercitazione.

3) Visita laboratori sperimentali (3 ore, ENERGIA) : Durante il semestre, verranno organizzate due visite guidate a laboratori sperimentali pertinenti agli argomenti trattati nel corso, in particolare in merito alla concentrazione solare ed alla fabbricazione additiva.

MATERIALI :

- Ashby M. F., "Materials Selection in Mechanical Design", Third Edition, Elsevier, 2005.
- Fernández, A. I., Martínez, M., Segarra, M., & Cabeza, L. F. "Selection of Materials with Potential in Thermal Energy Storage" Effstock, 2009.
- Zalba B,Marin J. M.,Cabeza L. F.,Mehling H., "Review on Thermal Energy Storage with Phase Change: Materials, Heat Transfer Analysis and Applications", Applied Thermal Engineering 23, 2003.
- Lukaszkowicz K., "Review of Nanocomposite Thin Films and Coatings Deposited by PVD and CVD Technology", in "Nanomaterials", In Tech, 2011.
- Gibson I., Rosen D. W., Stucker B., "Additive Manufacturing Technologies", Springer, 2010.
- Chaudhuri R. G., Paria S., "Core/Shell Nanoparticles: Classes, Properties, Synthesis Mechanisms, Characterization, and Applications", Chem. Rev. 112, 2012.

ENERGIA :

- P. Asinari, E. Chiavazzo, "An Introduction to Multiscale Modeling with Applications", Esculapio, Bologna, 2013.
- A. Bejan, "Advanced Engineering Thermodynamic", John Wiley & Sons, 1997.
- A. Bejan, A.D. Kraus (Editors), "Heat Transfer Handbook", John Wiley & Sons, 2003.
- A. Moradi, E. Sani, M. Simonetti, F. Francini, E. Chiavazzo, P. Asinari, "Carbon-nanohorn based nanofluids for a direct absorption solar collector for civil application", J. Nanosci. Nanotech. 15, 2015.
- Matteo Fasano, Masoud Bozorg Bigdeli, Mohammad Rasool Vaziri Sereshk, Eliodoro Chiavazzo, Pietro Asinari, "Thermal transmittance of carbon nanotube networks: Guidelines for novel thermal storage systems and polymeric material of thermal interest", Ren. Sust. Energy Rev. 41, 2015.
- Luigi Ventola, Francesco Robotti, Masoud Dialameh, Flaviana Calignano, Diego Manfredi, Eliodoro Chiavazzo, Pietro Asinari, "Rough surfaces with enhanced heat transfer for electronics cooling by direct metal laser sintering", Int. J. Heat Mass Tran. 75, 2014.
- Eliodoro Chiavazzo, Matteo Fasano, Pietro Asinari, Paolo Decuzzi, "Scaling behaviour for the water transport in nanoconfined geometries", Nature Comm. 4565, 2014.
- Chiavazzo E., Asinari P., "Reconstruction and modeling of 3D percolation networks of carbon fillers in a polymer matrix" Int. J. Thermal. Sci. 49, 2010.
- Chiavazzo E., Asinari P., "Enhancing surface heat transfer by carbon nanofins: towards an alternative to nanofluids?" Nanosc. Res. Lett. 6, 2011.

L’esame prevede una prova scritta ed una prova orale. La prova scritta prevede lo svolgimento di una relazione scritta, da consegnarsi alcuni giorni prima dell'appello che si intende sostenere, in modo che possa essere valutata dai docenti in tempo utile per l'appello selezionato. La relazione scritta dovrà contenere lo svolgimenti di compiti assegnati durante il semestre e relativa alla scelta dei materiali, alle simulazioni di dinamica molecolare e/o alle esperienze maturate nei laboratori sperimentali.

La prova orale consiste nella discussione degli argomenti di teoria affrontati nel corso in merito alla scelta dei materiali ed alle loro applicazioni energetiche, inclusi gli argomenti teorici relativi alla dinamica molecolare.

Per superare l’esame è necessario ottenere una valutazione superiore o uguale a 18/30 in entrambe le prove. Il voto finale sarà dato dalla media aritmetica delle votazioni ottenute nelle due prove arrotondata per eccesso.